微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用（第3版）6章

第6章內(nèi)存儲器微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲器組織微處理器的基本結(jié)構(gòu)6.1內(nèi)存儲器之系統(tǒng)程序存儲器

1.系統(tǒng)程序存儲器的類型只讀存儲器是斷電后數(shù)據(jù)不會丟失的非易失性存儲器，根據(jù)寫入方法和寫入次數(shù)的不同，分為以下類型：（1）掩膜只讀存儲器（MROM）該存儲器只能由制造廠商寫入一次，不能對其中的程序進(jìn)行修改。（2）可編程只讀存儲器（PROM）該存儲器可由用戶編程寫入一次，也不能對其中的程序進(jìn)行修改。（3）可擦抹可編程只讀存儲器（EPROM、EEPROM）該存儲器是可由用戶編程，能重復(fù)多次寫入的只讀存儲器。（4）快閃只讀存儲器（FlashROM）該存儲器以讀為主，可由用戶編程，能多次寫入，是快速電擦抹的只讀存儲器6.1內(nèi)存儲器之系統(tǒng)程序存儲器

2.系統(tǒng)程序微機(jī)系統(tǒng)核心控制程序是系統(tǒng)板上的“基本輸入/輸出系統(tǒng)”（BIOS）軟件，主要包括開機(jī)自檢程序、系統(tǒng)自舉裝入程序、系統(tǒng)設(shè)置程序、I/O設(shè)備驅(qū)動程序和中斷服務(wù)程序等。通常用于系統(tǒng)硬件初始化及硬件自檢，設(shè)置系統(tǒng)引導(dǎo)順序、系統(tǒng)時(shí)鐘、顯示器類型、存儲設(shè)備的容量和讀寫時(shí)序、系統(tǒng)的高速緩存、主芯片組、電源管理、I/O設(shè)備接口及總線等參數(shù)，加載操作系統(tǒng)、基本硬件接口管理（軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)、鼠標(biāo)軟件接口、并行口和串行口……）等。目前微機(jī)上流行的BIOS主要有三種（1）AwardBIOSAwardBIOS是由AwardSoftwareInc.公司開發(fā)的系統(tǒng)軟件，是近年來廣泛流行的BIOS程序。它具有節(jié)能管理、較好的總線管理、為各種操作系統(tǒng)提供良好支持的特點(diǎn)，被眾多系統(tǒng)機(jī)普遍采用。（2）AMIBIOSAMIBIOS是由AmericanMegatrendsInc.公司開發(fā)的系統(tǒng)軟件，它具有使用方便、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，被少數(shù)系統(tǒng)機(jī)采用。（3）PhoenixBIOSPhoenixBIOS是由PhoenixTechnologiesLtd.公司研制的BIOS設(shè)置程序，它具有畫面簡捷，以下拉菜單命令與功能鍵一起完成畫面所有操作的特點(diǎn)，多用于高檔的原裝機(jī)上。6.1內(nèi)存儲器之主存儲器主存儲器用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和正在處理的數(shù)據(jù)。主存儲器采用動態(tài)存儲器，在斷電后不能保持?jǐn)?shù)據(jù)，因而被稱為易失性存儲器。1.動態(tài)存儲器的工作原理動態(tài)存儲器的地址線一般分為行地址線和列地址線，對應(yīng)于存儲單元排成的行×列矩陣。對動態(tài)存儲器進(jìn)行讀/寫時(shí)，首先由行地址選通信號（RAS）把行地址鎖存在動態(tài)存儲器內(nèi)部的行地址鎖存器，然后由列地址選通信號（CAS）把列地址鎖存在動態(tài)存儲器內(nèi)部的列地址鎖存器，再以讀/寫信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭搿?.動態(tài)存儲器芯片（1）FPMDRAM（快速頁式動態(tài)隨機(jī)存儲器）（2）EDODRAM（擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出式動態(tài)隨機(jī)存儲器）（3）BEDODRAM（突發(fā)式動態(tài)隨機(jī)存儲器）（4）SDRAM（同步式動態(tài)隨機(jī)存儲器）（5）DDRSDRAM（雙數(shù)據(jù)速度，同步式動態(tài)隨機(jī)存儲器）（6）RDRAM6.1內(nèi)存儲器之主存儲器3.內(nèi)存條（動態(tài)存儲器模塊）（1）內(nèi)存條的結(jié)構(gòu)①SIMM（單列直插內(nèi)存模塊）②DIMM（雙列直插內(nèi)存模塊）：③RIMM（高速率直插內(nèi)存模塊）：（2）主流內(nèi)存條的類型①SDRAM內(nèi)存條：屬于DIMM結(jié)構(gòu)168線內(nèi)存條，在內(nèi)存條的邊角處有一個(gè)“SPD（連續(xù)存在偵測）”芯片②DDRSDRAM內(nèi)存條：屬于RIMM結(jié)構(gòu)184線內(nèi)存條，在中央有一個(gè)缺口。③RDRAM內(nèi)存條：屬于RIMM結(jié)構(gòu)184線內(nèi)存條，在中央有兩個(gè)缺口。6.1內(nèi)存儲器之主存儲器4.主存儲器的配置配置內(nèi)存條應(yīng)遵循如下原則：1若配置一個(gè)以上內(nèi)存條，則配置的所有內(nèi)存條的存儲容量和存儲時(shí)間必須一致，且配置內(nèi)存條為偶數(shù)，即2條、4條或6條等。當(dāng)系統(tǒng)板上主存儲器的存儲容量一定時(shí)，應(yīng)盡量選擇存儲容量較大的內(nèi)存條，從而降低單位內(nèi)存條的價(jià)格和騰出更多的空插槽，便于擴(kuò)展主存儲器的容量。選擇內(nèi)存條的類型應(yīng)和系統(tǒng)板上主存儲器插槽的類型相匹配，選擇內(nèi)存條的存取時(shí)間應(yīng)和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相匹配。6.1內(nèi)存儲器之高速緩沖存儲器（Cache）

1.高速緩沖系統(tǒng)的工作原理加入高速緩沖存儲器為什么能提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度？因?yàn)?，高速緩沖存儲器采用靜態(tài)存儲器（SRAM），靜態(tài)存儲器的存取時(shí)間比動態(tài)存儲器的存取時(shí)間要快得多，且在加電時(shí)永保存儲信息，不需要刷新。當(dāng)微處理器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，高速緩沖控制器指示微處理器首先到內(nèi)置高速緩沖存儲器中查找，只有當(dāng)內(nèi)置高速緩沖存儲器中沒有要查找的數(shù)據(jù)時(shí)，才到外置高速緩沖存儲器中查找。再找不到，立即到主存儲器中查找，查到數(shù)據(jù)后將其送到內(nèi)置高速緩沖存儲器，使內(nèi)置高速緩沖存儲器總保持微處理器最近要處理的數(shù)據(jù)。設(shè)置高速緩沖存儲器可以有效突破程序訪問的局限性，在某段時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)所要訪問的存儲空間集中在一個(gè)很小的范圍里，而程序指令的存儲是連續(xù)的，這樣就可以將頻繁讀取的指令和數(shù)據(jù)裝入高速緩沖存儲器，達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行速度的目的。高速緩沖存儲器的工作方式主要有寫貫通式和回寫式。寫貫通式高速緩沖存儲器是系統(tǒng)對高速緩沖存儲器寫入的同時(shí)將信息寫入到主存儲器中；回寫式高速緩沖存儲器是系統(tǒng)直接對高速緩沖存儲器寫入，而不直接寫入主存儲器，等到總線空閑時(shí)，才由高速緩沖存儲器將信息寫回主存儲器。6.1內(nèi)存儲器之高速緩沖存儲器（Cache）

2.高速緩沖存儲器（1）異步靜態(tài)存儲器異步靜態(tài)存儲器的存取速度與微處理器的速度不同步，所以這種靜態(tài)存儲器又稱為異步靜態(tài)存儲器，異步靜態(tài)存儲器的存取時(shí)間約為12ns～35ns（2）同步突發(fā)靜態(tài)存儲器同步突發(fā)靜態(tài)存儲器（SBSRAM）和微處理器通過一個(gè)相同的時(shí)鐘信號鎖在一起，使微處理器和SBSRAM同步工作，從而徹底解決微處理器和存儲器之間的速度匹配問題。同步突發(fā)靜態(tài)存儲器的存取時(shí)間約為5ns～8ns。（3）高速緩存隨機(jī)存儲器高速緩存隨機(jī)存儲器（CacheDRAM，CDRAM）是把SRAM存儲單元集成到DRAM芯片中，作為DRAM內(nèi)部的緩存，兩者存儲單元之間通過內(nèi)部總線相連。3.高速緩沖存儲器的配置高速緩沖存儲器的容量要與主存儲器的容量、高速緩沖的回寫方式相匹配。6.1內(nèi)存儲器之CMOS存儲器

CMOS（互補(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體）是低功耗靜態(tài)存儲器，斷電后可由充電電池供電。它在斷電情況下，能保存信息十年以上，是一種非易失性RAM（NVRAM）。CMOS存儲器存儲著微機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘和硬件配置等信息，共128字節(jié)。系統(tǒng)在引導(dǎo)時(shí)要讀取CMOS信息，以初始化機(jī)器各部件狀態(tài)。6.2內(nèi)存儲器的管理之內(nèi)存的管理方式

內(nèi)存儲器的管理有實(shí)地址、保護(hù)虛地址和虛擬86三種工作方式1.實(shí)地址存儲器管理方式實(shí)地址方式是80286至Pentium最基本的工作方式。微處理器管理的最低1MB存儲空間稱作實(shí)內(nèi)存，其管理的工作方式，稱為實(shí)地址方式。在實(shí)地址方式下，系統(tǒng)對存儲器是按分段的方法進(jìn)行管理的。存儲器分段就是把1MB存儲空間劃分成若干段，每個(gè)段由64KB連續(xù)的字節(jié)單元組成，每個(gè)段是一個(gè)可尋址的邏輯單位。存儲器的邏輯地址由段基值和偏移量組成，即：段基值∶段內(nèi)偏移量采用分段管理方法，能使指令系統(tǒng)中的大部分指令只涉及16位地址，可以減少指令的長度，提高執(zhí)行程序的速度。并且有利于程序和數(shù)據(jù)的浮動裝配，使程序可在任意一段中執(zhí)行，而不需要修改程序和數(shù)據(jù)。6.2內(nèi)存儲器的管理之內(nèi)存的管理方式

2.保護(hù)虛地址存儲器管理方式保護(hù)虛地址方式下的存儲器尋址機(jī)制可訪問最低1MB以及1MB以上的存儲空間。一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)一般分為兩級：內(nèi)存和外存。虛擬存儲器是建立在內(nèi)存和外存物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的，它將內(nèi)存和外存的地址空間統(tǒng)一編址，形成一個(gè)龐大的存儲空間。實(shí)際的內(nèi)存儲單元的地址稱為“實(shí)地址”，或叫“物理地址”，實(shí)地址對應(yīng)的是“實(shí)存空間”，也叫“物理空間”。用戶編程的“邏輯地址”涉及到外存的空間范圍，稱為“虛存空間”，或叫“邏輯空間”，虛存空間的地址稱為“虛擬地址”。當(dāng)用戶程序訪問虛存空間時(shí)，程序不在物理存儲器中的段，并且物理存儲器中還有可用空間，就由微處理器的內(nèi)存管理程序（如擴(kuò)展內(nèi)存管理程序，擴(kuò)充內(nèi)存管理程序），從硬盤上讀出該段內(nèi)容并復(fù)制到物理存儲器中，即把所需內(nèi)容從外存調(diào)入內(nèi)存的實(shí)空間，完成虛存空間和實(shí)空間的切換，使用戶感覺到的不再是處處受內(nèi)存容量限制的存儲系統(tǒng)，而是仿佛擁有一個(gè)容量充分大的存儲系統(tǒng)。（1）虛擬存儲器6.2內(nèi)存儲器的管理之內(nèi)存的管理方式

（2）虛擬存儲器的分段管理機(jī)制虛地址方式則是用段寄存器的段選擇符和偏移量訪問虛存空間，虛擬地址表達(dá)式為：虛擬地址=段選擇符∶偏移量（3）虛擬存儲器的分頁管理機(jī)制頁是一個(gè)大小固定的存儲塊，其大小為4K字節(jié)。頁表是頁索引值的集合，頁表中的一項(xiàng)由4個(gè)字節(jié)（32位頁地址）構(gòu)成，頁表中有1024項(xiàng)，所以一個(gè)頁表有4K字節(jié)。頁目錄是頁表索引值的集合，頁目錄中的一項(xiàng)也是由4個(gè)字節(jié)（32位頁表入口地址）構(gòu)成的，頁目錄有1024個(gè)頁表項(xiàng)，所以一個(gè)頁目錄有4K字節(jié)。由頁目錄和頁表構(gòu)成了兩級分頁，如圖6.1所示。6.2內(nèi)存儲器的管理之內(nèi)存的管理方式

（4）保護(hù)模式在軟件系統(tǒng)中還可以加入防護(hù)措施，如防止不正確訪問、拒絕任務(wù)存儲器資源未經(jīng)授權(quán)使用等，這種存儲器防護(hù)措施稱為保護(hù)。①存儲器保護(hù)功能：用來禁止程序的非法操作，在程序失控前產(chǎn)生異常中斷②特權(quán)級保護(hù)功能：特權(quán)級保護(hù)功能：主要保護(hù)操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不能讓應(yīng)用程序進(jìn)行修改，使之開發(fā)出可靠性更高的軟件系統(tǒng)。任務(wù)存儲器資源未經(jīng)授權(quán)拒絕使用：任務(wù)存儲器的特權(quán)級分為0～3四個(gè)級別，0級最高，3級最低。0級是面向微處理器功能而獨(dú)立于應(yīng)用程序的軟件；1級是提供系統(tǒng)服務(wù)的軟件；2級是支持系統(tǒng)專用操作的例程；3級是用戶應(yīng)用程序。應(yīng)用程序的特權(quán)級低于系統(tǒng)程序的特權(quán)級，所以拒絕應(yīng)用程序使用系統(tǒng)程序。特權(quán)級的檢查：在執(zhí)行程序過程中，硬件保護(hù)機(jī)制執(zhí)行訪問特權(quán)級檢查，對代碼段和數(shù)據(jù)段訪問特權(quán)級有嚴(yán)格限制，以保證高特權(quán)級的代碼或數(shù)據(jù)不被低特權(quán)級的代碼或數(shù)據(jù)所破壞。如果請求特權(quán)級高于或等于訪問權(quán)限字節(jié)中的特權(quán)級，則訪問允許，否則系統(tǒng)指示特權(quán)級違例。6.2內(nèi)存儲器的管理之內(nèi)存的管理方式

3.虛擬86存儲器管理方式在32位保護(hù)方式下，支持16位實(shí)方式應(yīng)用程序運(yùn)行的特殊保護(hù)方式，簡稱V86方式。在32位保護(hù)方式的操作系統(tǒng)管理下，系統(tǒng)可同時(shí)運(yùn)行32位應(yīng)用程序和16位應(yīng)用程序。V86方式是將段寄存器的內(nèi)容乘以16作為段的基地址，再加上16位偏移量而得到訪問存儲器的地址，這與實(shí)方式形成物理地址的方式相同。V86方式訪問的存儲空間是1MB+64KB，它是一種具有最低特權(quán)級的保護(hù)方式。6.2內(nèi)存儲器的管理之PC的內(nèi)存管理

1.DOS環(huán)境下的內(nèi)存管理（1）基本內(nèi)存基本內(nèi)存也稱為常規(guī)內(nèi)存，它位于地址空間的最低端00000～9FFFFH，無論何種機(jī)型的基本內(nèi)存都是640KB。基本內(nèi)存是DOS及其應(yīng)用程序工作所依賴的空間，是系統(tǒng)珍貴的有限資源。在配置DOS、設(shè)備驅(qū)動程序和內(nèi)存駐留程序后，可能有400KB～600KB用戶程序的自由空間。（2）上位內(nèi)存（UMB）上位內(nèi)存也稱為保留內(nèi)存，它位于地址空間A0000H～FFFFFH，共384KB。上位內(nèi)存留作顯示緩沖存儲器、外設(shè)接口卡的設(shè)備底層驅(qū)動程序和ROMBIOS使用，或?qū)⒃搮^(qū)作為視頻及其他適配器的映射存儲區(qū)。6.2內(nèi)存儲器的管理之PC的內(nèi)存管理

（3）擴(kuò)展內(nèi)存（XMS）1MB以上的物理空間稱為擴(kuò)展內(nèi)存系統(tǒng)。擴(kuò)展內(nèi)存不屬于DOS直接尋址范圍，因而不能直接被DOS所使用，DOS可以通過擴(kuò)展內(nèi)存管理程序（XMM）